DE3810669C2 - Vorrichtung zur Überwachung des Pegelstandes einer Flüssigkeit - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Überwa­ chung des Pegelstandes eines flüssigen Mediums mit einem Kör­ per, der durch eine elektrische Spannung in mechanische Schwingungen versetzbar ist, die gedämpft werden, wenn der Körper direkt oder indirekt mit dem zu überwachenden flüssi­ gen Medium in Berührung kommt. Die Vorrichtung ist besonders vorteilhaft einsetzbar im Zusammenhang mit einem piezo-kera­ mischen Pegelstands-Sensor, der in der DE 38 10 670 A1 mit gleichem Anmeldetag beschrieben wird.

In Tanks mit dünnflüssigen Medien, z. B. mit Wasser oder flüs­ sigem Gas, ist oft eine Überwachung des Flüssigkeitspegels erforderlich. Es sollen Schalt- und/oder Schutzmaßnahmen ein­ geleitet werden, sobald ein vorgegebener Pegelstand erreicht ist. Insbesondere bei Behältern, die unter Druck stehen, oder bei Behältern mit gefährlichen Medien dient die Überwachung auch der Betriebssicherheit und dem Umweltschutz. Da oft auch ältere Behälter nachgerüstet werden müssen, sollte der Pegel­ stands-Sensor eine kleine Bauform besitzen und leicht mon­ tierbar sein. In explosionsgefährdeten Umgebungen ist darüber hinaus eine explosionsgeschützte Ausführung wünschenswert oder gar erforderlich.

Es ist eine Vorrichtung zur Überwachung des Pegelstands eines flüssigen Mediums unter der Bezeichnung "Grenzschalter zur Füllstandserfassung" (Technische Revue, Juli/August 1987, Kennziffer TR 0427) bekannt, bei der eine Art Stimmgabel ver­ wendet wird, die elektrisch zu Schwingungen angeregt wird. Wird die Stimmgabel in einem Gas betrieben, werden die Schwingungen nur wenig bedämpft. Taucht dagegen die Stimmga­ bel in eine Flüssigkeit ein, werden die Schwingungen stark gedämpft. Diese Änderung des Schwingungsverhaltens wird elek­ trisch detektiert und elektronisch weiterverarbeitet. Beim Eintauchen in die Flüssigkeit wird ein Schaltsignal abgege­ ben. Eine solche Vorrichtung hat den Nachteil, daß sie prin­ zipbedingt relativ groß ist. Außerdem läßt sich mit ihr nur eine relativ kleine Schaltgenauigkeit erzielen.

Aus der deutschen Patentschrift 20 32 433 ist ein Schwingsy­ stem bekannt, das einen in Dickenrichtung polarisierten pie­ zoelektrischen Wandler umfaßt, an den mit Hilfe von Stromzu­ führungen eine Wechselspannung angelegt wird. An dem piezo­ elektrischen Wandler ist ein kegelstumpfförmiges Material­ teil, z. B. aus Aluminium, befestigt. Auf dessen Spitze ist wiederum ein plattenförmiges Endstück oder eine Arbeitsplatte befestigt. Diese bekannte Vorrichtung ist jedoch kein Pegel­ stands-Sensor, sondern eine Einrichtung zur Zerstäubung von Flüssigkeiten. Letztere werden dabei zum Zerstäuben auf die Arbeitsplatte gegeben. Der Energiebereich dürfte im Bereich von etlichen Watt liegen, während der vorliegende Pegel­ stands-Sensor mit einer Energie von etlichen Mikro- oder Milli-Watt auskommen soll.

In der erwähnten, gleichzeitig eingereichten DE 38 10 670 A1 wird eine Vorrichtung zur Überwachung des Pegelstands eines flüssigen Mediums angegeben, die besonders zuverlässig arbei­ tet und die besonders klein ausgeführt werden kann. Sie ist charakterisiert durch einen piezoelektrischen Körper, der durch Anlegen einer elektrischen Spannung in mechanische Schwingungen versetzbar ist, die gedämpft werden, wenn der Körper direkt oder indirekt mit dem zu überwachenden flüssi­ gen Medium in Berührung gerät. Eine bevorzugte Ausführungs­ form sieht vor, daß der piezoelektrische Körper an einem Me­ tallteil befestigt ist, das ein plattenförmiges Endstück auf­ weist. Aus Gründen einer einfachen Fertigung wird dabei so vorgegangen, daß der piezo-elektrische Körper, das Metallteil und das plattenförmige Endstück rotationssymmetrisch ausge­ bildet sind, wobei das Metallteil kegelstumpfförmig geformt ist und am verjüngten Bereich das besagte Endstück aufweist, das von größerem Durchmesser ist als dieser verjüngte Be­ reich. Kommt das Endstück mit der Flüssigkeit in Berührung, führt dies - unter Vermittlung des Metallteils, also auf in­ direktem Wege - zu einer Dämpfung des piezoelektrischen Kör­ pers, die elektrisch oder elektronisch nachgewiesen und zu Schaltmaßnahmen ausgenutzt wird.

Aus der DE 33 14 872 A1 ist eine Vorrichtung zur Überwachung des Pegelstandes eines flüssigen Mediums mit einem piezoelek­ trischen Körper bekannt, der durch eine elektrische Spannung in mechanische Schwingungen versetzbar ist, die gedämpft wer­ den, wenn der Körper direkt oder indirekt mit dem Medium in Berührung kommt. Eine elektrische Schaltung mißt die Phasen­ lage des Ausgangssignals des piezoelektrischen Körpers und gibt bei einer vorgegebenen Größe dieses Signals ein Schalt­ signal ab.

Aus der DE 35 16 198 A1 ist eine Einrichtung zur Füllstands­ kontrolle bekannt, welche einen mit dem Füllmedium beauf­ schlagbaren, in Schwingungen versetzbaren Hohlkörper umfaßt. Mittels einer Schwingungserreger- und -empfängereinrichtung wird eine Dämfpungsänderung erfaßt.

Die vorliegende Erfindung basiert ebenfalls auf der Überle­ gung, daß ein besonders kleinvolumiger und zuverlässiger Pe­ gelstands-Sensor aufgebaut werden kann, wenn dazu ein piezo­ elektrischer Körper, insbesondere ein piezo-keramischer Schwinger, verwendet wird.

Die Erfindung beruht weiter auf der Überlegung, daß zur Ge­ währleistung eines optimalen Arbeitens eines piezo-kerami­ schen Schwingers die Anregungsfrequenz mit der Resonanzfre­ quenz des Schwingers übereinstimmen muß. Diese Forderung würde einen aufwendigen Abgleich des zur Ansteuerung des Schwingers verwendeten Oszillators bedingen. Weiterhin würde diese Forderung eine Schaltung verlangen, die den Schwinger als Resonator (d. h. als frequenzbestimmendes Element) im Rückführungszweig des Oszillators beinhaltet.

Als auswertbares Signal könnte die detektierbare mechanische Dämpfung des Resonators, und zwar in Form eines statischen Signals, benutzt werden. Dies erfordert ebenfalls einen ge­ nauen Abgleich eines Schwellwertdetektors, der zur Auswertung der Dämpfung benötigt würde. Dessen Schwellwert müßte so ju­ stiert werden, daß bei Temperaturschwankungen oder Alterung des Schwingers (Sensors) oder der angeschlossenen Elektronik noch eine sichere Funktion gewährleistet ist. Andernfalls wä­ ren Betriebsausfälle zu befürchten. Auf jeden Fall wären aber Nachjustierungen erforderlich.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß ein kleinvolumiger Auf­ bau und bei Temperaturschwankungen oder Alterungen des als Schwinger verwendeten piezoelektrischen Körpers oder der an­ geschlossenen Speise- oder Auswerteschaltung eine sichere Funktion ermöglicht werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrich­ tung zur Überwachung des Pegelstandes eines flüssigen Mediums mit einem piezoelektrischen Körper, der durch eine sich peri­ odisch in der Frequenz ändernde, die Resonanzfrequenz des Körpers überstreichende, elektrische Spannung in mechanische Schwingungen versetzbar ist, die gedämpft werden, wenn der Körper direkt oder indirekt mit dem Medium in Berührung kommt, sowie einer elektrischen Schaltung mit einem span­ nungsgesteuerten Oszillator, dessen Ausgang mit Anschlüssen des Körpers verbunden ist, Mitteln zur Auswertung des Wech­ selspannungsamplitude der Spannung, die einen an die An­ schlüsse des Körpers geschalteten Gleichrichter und ein die­ sem nachgeschaltetes Differenzierglied, das im Bereich der Resonanzfrequenz bei bedämpftem Körper ein kleineres Signal abgibt als bei unbedämpftem Körper, umfassen, und Mitteln zur Abgabe eines Schaltsignals in Abhängigkeit von dem Signal des Differenziergliedes.

Es wird eine Wobbelfrequenz auf den piezoelektrischen Körper gegeben, wobei die Resonanzfrequenz des Schwingers überfahren wird. Im Bereich der Resonanzfrequenz tritt bei ungedämpftem Schwinger eine beträchtliche Impedanzänderung ein, die mit der nachgeordneten elektrischen Schaltung erfaßt wird und für Schaltmaßnahmen, beispielsweise an einem Abschaltventil für zulaufende Flüssigkeit, ausgenutzt werden kann.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand von vier Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen in ein Gehäuse eingesetzten Pegelstands-Sensor mit piezo-keramischem Schwinger, der zur Überwachung des Flüssigkeitsniveaus in einem Behälter dient;

Fig. 2 eine elektrische Schaltung zur Speisung des Schwingers und zum Erfassen des Zeitpunkts, in dem die zu überwa­ chende Flüssigkeit den Schwinger berührt;

Fig. 3 ein Spannungs-Zeit-Diagramm für den nicht bedämpften Schwinger und

Fig. 4 ein Spannungs-Zeit-Diagramm für den bedämpften Schwin­ ger, der mit der Flüssigkeit in Berührung steht.

In Fig. 1 ist ein Pegelstands-Sensor oder Schwinger 1 darge­ stellt, wie er im wesentlichen in der DE 38 10 670 A1 vom gleichen Anmeldetag beschrieben ist. Danach umfaßt der Pegel­ stands-Sensor 1 eine piezo-keramische Platte 2 mit Elektroden 4 und 6, an denen elektrische Leitungen 8, 10 angeschlossen sind. An der Platte 2 ist ein sich nach unten verjüngendes kegelstumpfförmiges Metallteil 12 befestigt, das beispiels­ weise aus V2A-Stahl besteht. Dieses weist an der verjüngten Seite eine Endplatte 14 auf, die bei Beaufschlagung der Platte 2 mit einer Hochfrequenz-Spannung U in Schwingungen gerät. Im vorliegenden Fall befindet sich der Sensor 1 in ei­ nem Gehäuse 20, beispielsweise aus V2A-Stahl. Die Befestigung kann mittels eines Befestigungsflansches 16 vorgenommen wer­ den.

Das Gehäuse 20 ist zylinderförmig ausgebildet und innen mit einer gestuften Höhlung 22 versehen. Öffnungen 24, 26 er­ leichtern den Flüssigkeitseintritt. In der Höhlung 22 befin­ det sich auch eine druckfeste Kabeldurchführung 30, bei­ spielsweise aus Aluminiumoxid. Die in das Gehäuse 20 führen­ den Leitungen zur Speisung des Schwingers 1 sind mit 38, 40 bezeichnet.

Der Schwinger 1 dient zur Erkennung von Grenzwerten beim Be­ füllen eines Flüssigkeitstanks 42 mit einer Flüssigkeit 44, beispielsweise mit Flüssiggas. Hierbei kommt es darauf an, daß der Füllstands-Sensor 1 explosionsgesichert ausgebildet ist.

Bei der folgenden Betrachtung wird davon ausgegangen, daß der Schwinger 1 mit einer Hochfrequenz im Bereich von etwa 100 bis 120 kHz gewobbelt wird. Die hierfür aufzuwendende Leistung ist, bedingt durch die gewählte Dimensionierung der einzelnen Bau­ teile 2 bis 14, nur gering. Sie kann z. B. nur ca. 100 Milli-Watt betragen.

Bei der in Fig. 2 gezeigten Schaltung wird zur Steuerung des Schwingers 1 keine feste Frequenz erzeugt; vielmehr wird mit der besagten Wobbelfrequenz im Bereich von 100 bis 120 kHz gearbei­ tet. Natürlich kann auch ein anderer Frequenzbereich gewählt werden; dieser muß jedoch die Resonanzfrequenz f_r des Schwingers 1 umfassen.

Nach Fig. 2 erzeugt ein Generator 50 entweder eine periodische dreieckförmige Steuerspannung a oder eine sägezahnförmige Steuerspannung b für einen spannungsgesteuerten Oszillator 52. Der Oszillator 52 speist über einen Vorwiderstand 54 den Schwinger oder Sensor 1 mit einer hochfrequenten Wechselspannung U. Der Oszillator 52 liefert auf diese Weise die Wobbelfrequenz, in deren Bereich sich die Resonanzfrequenz f_r des Sensors 1 befindet. Bespielsweise beträgt die Resonanzfrequenz f_r = 110 kHz, und der Bereich der Wobbelfrequenz liegt zwischen 100 und 120 kHz. Dieser Bereich kann beispielsweise innerhalb von 0,5 s durchfahren werden.

In der erwähnten Betriebsweise wird die Resonanz des Sensors 1 bei Verwendung eines Dreieckgenerators 50 in jeder Periode zweimal durchlaufen. Ist der Generator 50 dagegen ein Sägezahn­ generator, so wird die Resonanzstelle des Senors 1 in jeder Periode einmal durchlaufen. Solange der Sensor 1 unbedämpft schwingen kann, d. h. solange er nicht mit dem flüssigen Medium 44 in Berührung steht, unterliegt die am Vorwiderstand 54 abgegriffene Wechselspannung U Schwankungen, die durch den Impedanzverlauf des unbedämpften Sensors 1 bedingt sind.

Dem Vorwiderstand 54 ist ein Gleichrichter 56 nachgeschaltet. Eine mögliche Ausführungsform ist im Block des Gleichrichters 56 symbolisch angedeutet. Der Gleichrichter 56 erzeugt aus der schwankenden HF-Wechselspannung U eine sich äquivalent ändernde Gleichspannung G.

Nach einer (nicht gezeigten) Ausführungsform könnte nun die Gleichspannung G mit einem vorgegebenen Schwellwert verglichen werden. Um aber den dabei von Zeit zu Zeit erforderlichen Abgleich auf einen bestimmten Schwellwert zu umgehen, ist nach der vorliegenden Ausführungsform dem Gleichrichter 56 ein Differenzierglied 58 nachgeschaltet. Eine mögliche Ausführungs­ form ist im Block des Differenziergliedes 58 eingetragen. Das Differenzierglied 58 gibt ein Ausgangssignal D ab, das der Änderungsgeschwindigkeit der am Gleichrichter 56 gewonnenen NF-Wechselspannung G proportional ist.

Das Ausgangssignal D des Differenziergliedes 58, das aus einzelnen Impulsen besteht, gelangt auf eine Ausgangsstufe 60, die als Verstärker oder - wie nicht gezeigt - bevorzugt als Monoflop ausgebildet sein kann. Dieser Monoflop dient zur Verlängerung der eingehenden Impulse. Das heißt, das Monoflop 60 wird durch die einzelnen Impulse des Signals D immer neu gestartet; es ist dabei so dimensioniert, daß sein astabiler Zustand etwas länger dauert als der Abstand zweier Impulse aus dem Differenzierglied 58. Auf diese Weise wird ein statisches Signal S erzeugt, das auf eine Schaltstufe 62 gegeben wird. Diese Schaltstufe 62 dient dazu, am Ausgang 63 ein Schaltsignal A für eine angeschlossene Einrichtung 64, beispielsweise ein Abschaltventil, insbesondere ein Magnetventil, zu liefern. Mit Hilfe dieses Magnetventils 64 kann der Zulauf von Flüssigkeit 44 in den Behälter 42 unterbrochen werden.

Es wird nun der Fall betrachtet, daß der Sensor 1 bedämpft wird, d. h. mit Flüssigkeit 44 in Berührung kommt. Dann besitzt er keine ausgeprägte Resonanzkurve mehr; sein Impedanzverlauf nähert sich einer Geraden. In diesem Fall hat die am Vorwider­ stand 54 gewonnenen HF-Wechselspannung einen stabilen Pegel; nach dem Gleichrichter 56 liegt eine reine Gleichspannung G vor, und das Differenzierglied 58 liefert nun keine Impulse mehr an das Monoflop 60, welches dadurch in den stabilen Zustand zurückfällt und die Schaltstufe 62 umschaltet. Dieses Umschalten bewirkt eine Unterbrechung des Flüssigkeitsflusses durch das Abschaltventil 64.

In Fig. 3 ist dargestellt, wie das Ausgangssignal G des Gleichrichters 56 aussieht, wenn der Schwinger 1 nicht bedämpft ist. Man erkennt hier, daß im Mittenbereich, d. h. wenn die Resonanzfrequenz f_r überstrichen wird, eine deutliche Amplitudenänderung sich bemerkbar macht. In Fig. 4 dagegen ist das Ausgangssignal G des Gleichrichters 56 aufgetragen, wenn der Schwinger 1 durch Eintauchen seiner Endplatte 14 plötzlich stark bedämpft wird. Das erwähnte ausgeprägte Maximum ist verschwunden; es führt in der nachgeschalteten Stufe 60 nicht mehr zu einer Verlängerung von Impulsen, was nun zu einem Abschalten des Abschaltventils 64 führt.

Diese rein dynamische Arbeitsweise besitzt den Vorteil, daß Temperaturdriften der Resonanzfrequenz f_r des Sensors 1 oder der elektronischen Bauteile 50-62 ebenso wie Alterungseffekte in weitem Umfang abgefangen werden. All diese Effekte haben dann keinen Einfluß auf die einwandfreie Funktion der gezeigten Vorrichtung zur Überwachung des Pegelstands.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß bei Ausfall des Sensors 1, bei Kabelbruch oder bei Ausfall der Elektronik 50-58 ein Schaltzustand am Ausgang 63 erzeugt wird, der einem Ansprechen des Sensors 1 entspricht und damit eine weitere Befüllung des zu überwachenden Behälters 42 unterbindet. Die Vorrichtung ist also eigensicher. Mit anderen Worten: Vom Differenzierglied 58 werden Impulse im Ausgangssignal D abgegeben, wenn (a) die Schaltung einwandfrei funktioniert und (b) der maximale Füllstand noch nicht erreicht ist; diese Impulse führen dazu, daß das Schaltventil 64 geöffnet bleibt. Die Impulse am Ausgang des Differenziergliedes 58 fallen dagegen weg, wenn (c) der vorgegebene Füllstand erreicht ist und der Sensor 1 dabei in Kontakt mit der Flüssigkeit 44 tritt, oder wenn (d) ein Defekt in der Schaltung 50-58 vorliegt. Die beiden letzteren Bedingungen (c) und (d) führen also zu einem Abschalten des Abschaltventils 64 (sicherer Zustand). Die dargestellte Vorrichtung ist daher insbesondere zur Überwachung eines Maximalstands der Flüssigkeit 44 geeignet. Hervorzuheben ist auch, daß der Energieverbrauch vergleichsweise gering ist.

Claims (7)

1. Vorrichtung zur Überwachung des Pegelstandes eines flüssi­ gen Mediums (44) mit einem piezoelektrischen Körper (2), der durch eine sich periodisch in der Frequenz (f) ändernde, die Resonanzfrequenz des Körpers (2) überstreichende, elektrische Spannung (U) in mechanische Schwingungen versetzbar ist, die gedämpft werden, wenn der Körper (2) direkt oder indirekt mit dem Medium (44) in Berührung kommt, sowie einer elektrischen Schaltung (50-62) mit einem spannungsgesteuerten Oszillator (52), dessen Ausgang mit Anschlüssen (38, 40) des Körpers (2) verbunden ist, Mitteln (56, 58, 60, 62) zur Auswertung der Wechselspannungsamplitude der Spannung (U), die einen an die Anschlüsse (38, 40) des Körpers (2) geschalteten Gleichrich­ ter (56) und ein diesem nachgeschaltetes Differenzierglied (58), das im Bereich der Resonanzfrequenz (f_r) bei bedämpftem Körper (2) ein kleineres Signal abgibt als bei unbedämpftem Körper (2), umfassen, und Mitteln (60) zur Abgabe eines Schaltsignals in Abhängigkeit von dem Signal des Differen­ ziergliedes (58).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Span­ nung (U) eine frequenzveränderliche Sägezahn- oder Dreiecks­ spannung (a, b) ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fre­ quenz (f) der Spannung (U) sich etwa zwischen 100 und 120 kHz ändert.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Dif­ ferenzierglied (58) ein Monoflop (60) nachgeschaltet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Aus­ gangssignal (S) des Monoflops (60) einem Schalter (64) zuge­ führt ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (64) zu einem Abschaltventil gehört, das zum Ab­ schalten eines Füllvorgangs für die Flüssigkeit (44) dient.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der pie­ zoelektrische Körper (2) an einem konischen Metallteil (12) befestigt ist, das ein plattenförmiges Endstück (14) auf­ weist.